從軍事領域(根據(jù)導彈產(chǎn)生的熱量定位導彈)、科學領域(遙感、光譜學)到環(huán)境領域(氣體監(jiān)測、穿透霧霾),包括焦平面陣列(FPA)在內(nèi)的短波紅外(SWIR)和中波紅外(MWIR)傳感器使許多重要的紅外傳感和成像應用成為可能。然而,現(xiàn)有的實用型SWIR和MWIR傳感器都存在一個明顯缺陷:需要制冷。這包括了基于銻化銦(InSb)、碲鎘汞(MCT)和砷化銦/銻化鎵(InAs/GaSb)以及Ⅱ類超晶格FPA傳感器。對冷卻系統(tǒng)的需求增加了器件的體積,特別是對微小尺寸的光電探測系統(tǒng)來說,這將顯著增加成本和維護需求。
據(jù)麥姆斯咨詢報道,加州大學洛杉磯分校(UCLA)和英國卡迪夫大學(Cardiff University)的研究人員采用一種新方法解決了這個問題。科學家們發(fā)明的室溫非制冷SWIR和MWIR探測器由垂直生長于磷化銦(InP)襯底的InAs或InAsSb納米線陣列組成,使納米線與襯底的結合產(chǎn)生InAs-InP異質(zhì)結。然后可覆蓋一層氧化鋁(Al2O3)來鈍化該結構,從而降低納米線表面的非輻射復合。
計算機模擬顯示,與平面非制冷InAs光電二極管相比,非制冷InAs(Sb)-InP納米線異質(zhì)結光電二極管的等離子體模式共振峰值D*可在3.0μm波長時達到3.5×1010cm Hz1/2W-1,這比平面光電二極管高了近10倍。
研究人員基于之前開發(fā)的標準工藝制備出了納米線光電探測器,使納米線在適當波長范圍內(nèi)生長于為光電探測優(yōu)化的圖案上,然后用Al2O3鈍化。接著去除納米線尖端的鈍化涂層。利用納米線本身作為陰影掩膜,將金沉積在納米線承載表面上,再在金上制作一系列納米孔,就形成等離子體光柵(如下圖)。這種光柵非常重要:其作用是通過等離子體共振來增強入射光與納米線尖端的耦合。
示例中,SWIR器件的制造有效面積為200×200μm2。探測器表面包含1300nm間距、264nm直徑和1650nm高度的納米線。該器件的室溫光譜響應峰值約在2.0和3.4μm,與等離子體共振相當。
為實現(xiàn)在納米線陣列(如圖a)上生長金光柵,納米線本身(垂直生長)被用作陰影掩膜,以一定角度將金沉積到表面,會導致未沉積區(qū)域(暗區(qū))。
未來基于納米線的分離吸收倍增結構雪崩光電二極管(SAM-APD)將具有有刻面的納米線,以幫助緩解晶格失配應變(如圖b)。
圖片來源:加州大學洛杉磯分校(UCLA)Dingkun Ren
后續(xù)研究
加州大學洛杉磯分校的研究人員Dingkun Ren表示,未來基于納米線的紅外探測器將包含光子晶體光柵。這提供一種更好的方法來調(diào)整器件的峰值波長。在目前的自組裝等離子體結構中,等離子體峰值波長是通過改變納米線間距(即納米線到納米線的距離)來調(diào)諧的。然而,控制不同納米線間距陣列上的生長均勻性是非常困難的。在新型的光子晶體光柵結構中,將通過改變氣孔間距(airhole)來設計峰值,這可以簡單地通過光刻工藝進行控制。Ren說,“這是一種更強大的光學設計!”
該研究團隊還在設計SAM-APD,這是基于納米線和金屬光子晶體光柵的MWIR APD。這些器件可以在線性模式下工作,并通過內(nèi)部增益進一步提高信噪比(SNR)。由于沒有可用的晶格匹配的大帶隙材料來制備SAM-APD結構,因此在納米線生長過程中,通過納米線側壁面彈性調(diào)節(jié)應變,可以實現(xiàn)具有大晶格失配的異質(zhì)外延。
轉(zhuǎn)載請注明出處。